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目录 1

1 引言 1

1.1 质量守恒作为一种计量方法 1

1.2　微分和积分：世界人口统计 3

1.3　扩散、对流和反应过程的质量守恒计量：微观尺度 4

1.4 小结 6

1.5 参考文献 6

2.1 生物分离过程的选择 9

2　工业生物分离过程 9

第一部分　工业生物分离过程与产品检测 9

2.1.1　规模、浓度和价格 10

2.1.2　产品性质 11

2.2　单克隆抗体 13

2.3　人胰岛素 14

2.4 狂犬疫苗 15

2.5 青霉素 16

2.6 蛋白酶 16

2.7　L-赖氨酸 17

2.8　柠檬酸 18

2.9 小结 19

2.10 习题 19

2.11　参考文献 22

3　浓度测定和生物活性分析 23

3.1 氨基酸 23

3.1.1　高效液相色谱 25

3.1.2　反相高效液相色谱 25

3.1.4　胶束电动毛细管色谱 26

3.1.3　毛细管电泳 26

3.1.5 电渗析 27

3.1.6　气相色谱 27

3.2　多肽和蛋白质 28

3.2.1　分析型色谱 28

3.2.2　分析型电泳 30

3.2.3　免疫测定技术 31

3.3　核苷酸和聚核苷酸 32

3.3.1　离子交换色谱 33

3.3.2　反相高效液相色谱 33

3.3.4　Slalom色谱 34

3.3.3　离子对色谱 34

3.3.5　凝胶电泳 35

3.3.6　脉冲电场凝胶电泳 35

3.3.7　毛细管等速电泳 36

3.3.8　毛细管区带电泳 36

3.4　糖类化合物 37

3.4.1　单糖 37

3.4.2　寡聚糖 39

3.5.1　脂肪酸 41

3.4.3　糖蛋白 41

3.5　脂类 41

3.5.2　脂肪和油类 44

3.6　类固醇和抗生素 45

3.7　维生素 46

3.8　小结 47

3.9　习题 47

3.10　参考文献 48

4　热力学与传递性质 55

4.1　化学平衡 55

第二部分　化学、物理和生物学性质在生物分离中的应用 55

4.2　溶解度 57

4.2.1　蛋白质和氨基酸的溶解度 57

4.3　扩散系数 59

4.3.1　不带电的小分子生物化学品 60

4.3.2　蛋白质 60

4.4　等电点及pH值对电荷的影响 61

4.4.1 羧酸 61

4.4.2 氨基酸 62

4.5　疏水-亲水性的度量 68

4.4.3　蛋白质 68

4.6　酸-碱性的度量 70

4.6.1　Gutmann的供给-接受数理论 70

4.6.2　Drago的E-C方程 70

4.6.3　溶剂化显色比较法 71

4.6.4　软硬酸碱理论 71

4.6.5　不同度量体系之间的比较和关联 72

4.7　金属离子键合常数 72

4.7.1 核酸 73

4.7.2　氨基酸 73

4.9　习题 74

4.8　小结 74

4.10　参考文献 76

5　生物胶体分子的相互作用 78

5.1　短程相互作用 78

5.2　长程相互作用 79

5.2.1 范德华力 79

5.2.2　静电作用和DLVO理论 82

5.2.3　疏水作用 83

5.2.4　磁相互作用 84

5.4　习题 85

5.3　小结 85

5.5　参考文献 86

6　生物亲和性 88

6.1　分子识别过程 89

6.2　配体与受体的相互作用 89

6.2.1　离子键 90

6.2.2　氢键 90

6.2.3　疏水相互作用 90

6.3.1　热力学方法 91

6.3　受体-配体亲和性的理论研究 91

6.2.4　范德华力 91

6.3.2　平衡方法 92

6.4　专一性相互作用 94

6.4.1　抗体与抗原的相互作用 94

6.4.2　DNA与蛋白质的相互作用 95

6.4.3　细胞受体与配体的相互作用 97

6.4.4　酶与底物的相互作用 97

6.4.5　生物素与抗生物素／链菌酶抗生物素的相互作用 98

6.6　习题 99

6.5　小结 99

6.4.6　凝集素与糖分子的相互作用 99

6.7　参考文献 101

第三部分　生物分离方法 105

7　结晶和沉淀 105

7.1　饱和与过饱和态 105

7.2　成核现象 106

7.3　晶体的生长 108

7.4　批式结晶 108

7.4.1　溶液平衡 108

7.4.2　固相平衡 109

7.4.3　晶体粒度分布 110

7.4.4　有机溶剂和盐导致的沉淀 112

7.4.5　生长速率分布 113

7.5　连续结晶 115

7.6　收率 115

7.6.1　除去溶剂和稀释剂时的收率 116

7.7　小结 116

7.8　习题 117

7.9　参考文献 119

8.1　膜材料 120

8　膜过滤 120

8.2　膜分离过程的推动力 121

8.3　微滤理论 121

8.3.1　不可压缩滤饼 122

8.3.2　可压缩滤饼 122

8.4　微滤 123

8.4.1　多级微滤 124

8.5　超滤 125

8.5.1　超滤过程的应用 126

8.6　反渗透 127

8.5.2　超滤膜的应用及其改进 127

8.7　传质通量方程 128

8.8 电渗析 129

8.9　乳化液膜分离 129

8.10　小结 130

8.11 习题 130

8.12　参考文献 132

9　离心 133

9.1　基本原理 133

9.2　离心分离的优缺点 134

9.3　离心机的选择 135

9.4　离心机的类型 136

9.4.1　管状转筒式离心机 137

9.4.2　碟式离心机 138

9.4.3　转篮式离心机 139

9.5　工业规模的离心机 140

9.6　小结 142

9.7　习题 142

9.8　参考文献 143

10　色谱 144

10.1　检测方法 145

10.2　色谱技术概述 146

10.3　固定相 148

10.4　色谱过程分析的6种方法 151

10.4.1　Gaussian法 151

10.4.2　分级模型 153

10.4.3　牛顿连续力学与线性平衡 158

10.4.4　稳态模型与饱和平衡 161

10.4.6　凝胶分配模型 165

10.4.5　van Deemter方程 165

10.5　凝胶渗透色谱 166

10.6　离子交换色谱 168

10.7　亲和色谱 171

10.8　疏水作用色谱与反相色谱 173

10.9　灌注色谱 174

10.10　其他色谱方法 174

10.10.2　置换色谱 175

10.10.3　径向流动色谱 175

10.10.1 梯度法 175

10.10.4　膜色谱 176

10.11　放大策略与注意事项 176

10.11.1 放大方法1：固定相颗粒尺寸不变 177

10.11.2　放大方法2：增大固定相颗粒尺寸 178

10.11.3　放大方法3：凝胶渗透与开关循环方法 178

10.12　小结 179

10.13　习题 179

10.14　参考文献 183

11.1　分配过程的化学热力学 185

11 萃取 185

11.2　有机相-水相萃取 186

11.2.1　萃取剂-稀释剂系统 188

11.2.2　从有机相中移出生化产品 190

11.3　双水相萃取 192

11.3.1 由尺寸差异导致的分配 192

11.3.2　蛋白质电荷对分配的影响 193

11.3.3　其他影响 193

11.4　反胶团 195

11.5　超临界流体 196

11.6　大规模萃取设备 197

11.6.1　混合澄清槽 198

11.6.2　萃取塔 198

11.6.3　离心接触萃取器 201

11.6.4　比较 201

11.7　多级接触的模式 201

11.7.1　并流接触 202

11.7.2　错流接触 202

11.7.3　逆流接触 203

11.7.4　接触模式比较 204

11.7.5　图解法 209

11.7.6　分馏萃取 210

11.7.7　连续逆流萃取 213

11.8　小结 214

11.9　习题 214

11.10　参考文献 218

12 电泳 220

12.1 常用电泳方法简介 220

12.1.1　凝胶电泳 220

12.1.2　毛细管电泳 223

12.1.4　等速电泳 224

12.1.3　等电聚焦 224

12.1.5　移界电泳 225

12.2　电泳的基本概念 225

12.2.1 电渗和松弛效应对电泳的阻碍作用 226

12.2.2　对电泳分离不利的情形 227

12.3 区带电泳 228

12.3.1　带扩散 228

12.4　等电聚焦 229

12.5　等速电泳 230

12.6　二维电泳 231

12.7　小结 232

12.8　习题 232

12.9　参考文献 235

13　磁生物分离 236

13.1　材料的磁性 236

13.2　磁性颗粒分类 241

13.3　理论分析 241

13.4　磁性颗粒分离 243

13.4.1　高梯度磁场分离 243

13.4.2　亲和色谱 244

13.4.3　双水相分离 245

13.5　应用 245

13.5.1　细胞分离 246

13.5.2　免疫测定 246

13.6　小结 246

13.7　习题 247

13.8　参考文献 247

14　溶剂去除和干燥 248

14.1　溶剂去除方法 248

14.2　理论 249

14.2.1　气-液系统 250

14.2.2　液-液系统 252

14.2.3 液-固系统 254

14.3　瑞利精馏 256

14.4　设备 257

14.4.1 蒸发 257

14.4.2　干燥 260

14.5　小结 262

14.6　习题 262

14.7　参考文献 263

15　细胞破碎 264

15.1　细胞与细胞膜 265

15.2　细胞破碎技术 266

15.2.1　机械法细胞破碎 267

15.2.2　化学法细胞破碎 273

15.3　小结 275

15.4　习题 275

15.5　参考文献 276

16.1　生物分离过程经验法则 281

16　分离过程集成 281

第四部分　生物过程设计 281

16.1.1　在分离过程中应尽早减少样品体积 282

16.1.2　将成本最高的步骤放到最后 283

16.1.3　遵守KISS原则 283

16.1.4　尽早提炼组分 284

16.1.5　使生物反应器中的产物抑制降至最低 285

16.2　生物分离过程和生物反应器研发同步进行时的问题 285

16.2.1　对实验室规模的过程不作任何变化 285

16.3　过程集成中的专家系统 286

16.2.3　利用模拟料液进行中试实验 286

16.2.2　依据类似商业产品的生产过程来设计生物分离过程 286

16.4　生物反应和生物分离过程集成 287

16.5　“生物分离友好”的生物反应过程 288

16.6　最终产品剂型和环境影响 289

16.7　小结 290

16.8　习题 290

16.9　参考文献 292

17　产品制剂 294

17.1　剂型特性 294

17.2.2　表面活性剂 295

17.2.3　色素和调味剂 295

17.2　赋形剂 295

17.2.1　增稠剂和黏合剂 295

17.2.4　防腐剂 296

17.3　给药方式 296

17.4　封装 297

17.5　冷冻干燥 298

17.5.1　理论 298

17.5.2　技术 300

17.8　参考文献 302

17.6　小结 302

17.7　习题 302

18　生物加工过程经济学 304

18.1　成本估算软件资源 304

18.1.1　投资成本估算 306

18.1.2　操作费用估算 306

18.2　经济决策模型 307

18.2.1　内部收益率 308

18.2.3　净现值 309

18.2.2　包含利润的投资回收期 309

18.2.4　投资回报率 310

18.2.5　选择项目和投资方式 311

18.3　敏感度分析 311

18.4　小结 314

18.5　习题 315

18.6　参考文献 315

附录 319

附录A　Laplace变换 319

附录B　Laplace反变换的数值方法、van derLaan法则及Huckel与Helmholtz-Smoluchowski公式 323